JP6918311B2 - Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices - Google Patents

Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices Download PDF

Info

Publication number
JP6918311B2
JP6918311B2 JP2017094904A JP2017094904A JP6918311B2 JP 6918311 B2 JP6918311 B2 JP 6918311B2 JP 2017094904 A JP2017094904 A JP 2017094904A JP 2017094904 A JP2017094904 A JP 2017094904A JP 6918311 B2 JP6918311 B2 JP 6918311B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
metal portion
joint
convex
concave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017094904A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018190936A (en
Inventor
木下 慶人
慶人 木下
下田 将義
将義 下田
須賀 唯知
唯知 須賀
カトレエン イェルチェル
カトレエン イェルチェル
然 赫
然 赫
赤池 正剛
正剛 赤池
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
University of Tokyo NUC
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd, University of Tokyo NUC filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP2017094904A priority Critical patent/JP6918311B2/en
Publication of JP2018190936A publication Critical patent/JP2018190936A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6918311B2 publication Critical patent/JP6918311B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

この発明は、金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a metal joint, a method for manufacturing a metal joint, a semiconductor device, and a method for manufacturing a semiconductor device.

パワー半導体モジュールは、1つまたは複数のパワー半導体チップを内蔵して変換接続の一部または全体を構成し、かつ、パワー半導体チップと積層基板または金属基板との間が電気的に絶縁された構造を持つパワー半導体デバイスである。 A power semiconductor module has a structure in which one or more power semiconductor chips are incorporated to form a part or the whole of a conversion connection, and the power semiconductor chip and a laminated substrate or a metal substrate are electrically insulated from each other. It is a power semiconductor device with.

このようなパワー半導体モジュールの積層基板は、絶縁基板に銅板などの導電性板が電極パターンとして備えられたものである。絶縁基板上の銅板などの導電性板において、銅(Cu)板と銅板の接合は、はんだや銀(Ag)焼結材などを用いる接合が用いられている。しかし、はんだの熱伝導率は低く、さらに、はんだ接合層中に未接合部やボイドが存在すると放熱特性が低下する。銀焼結材の熱伝導率は高いものの、はんだと同様、ボイドの存在による放熱特性低下が懸念される。 Such a laminated substrate of a power semiconductor module is an insulating substrate provided with a conductive plate such as a copper plate as an electrode pattern. In a conductive plate such as a copper plate on an insulating substrate, the copper (Cu) plate and the copper plate are joined by using solder, a silver (Ag) sintered material, or the like. However, the thermal conductivity of the solder is low, and further, if there are unbonded portions or voids in the solder joint layer, the heat dissipation characteristics are deteriorated. Although the silver sintered material has a high thermal conductivity, like solder, there is a concern that the heat dissipation characteristics may deteriorate due to the presence of voids.

放熱特性の向上のため、厚い銅板を接合した構造が好ましいが、厚い銅板と、セラミック基板等の絶縁基板とで熱膨張率係数が異なることから、直接厚い銅板を絶縁基板上に高温で接合することは困難である。そのため、熱膨張率係数の差が小さくなるように、薄い銅板を絶縁基板上に高温で接合し、さらに絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板を接合されることが行われている。その際、上記同様にはんだや銀焼結材等を用いると未接合部やボイドの存在により、接合強度および熱伝導率が低下する。そこで、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板の接合において、はんだや銀ペースト等を入れない直接接合が必要とされている。直接接合とは、金属板の間に何も挟まずに、金属原子が互いに結合することで接合することである。 A structure in which thick copper plates are joined is preferable in order to improve heat dissipation characteristics, but since the coefficient of thermal expansion differs between the thick copper plate and the insulating substrate such as a ceramic substrate, the thick copper plate is directly bonded onto the insulating substrate at a high temperature. That is difficult. Therefore, a thin copper plate is joined onto the insulating substrate at a high temperature so that the difference in the coefficient of thermal expansion coefficient becomes small, and then the thin copper plate and the thick copper plate on the insulating substrate are joined. At that time, if a solder, a silver sintered material, or the like is used in the same manner as described above, the bonding strength and the thermal conductivity are lowered due to the presence of unbonded portions and voids. Therefore, in joining a thin copper plate and a thick copper plate on an insulating substrate, direct joining without inserting solder, silver paste, or the like is required. Direct bonding is the bonding by bonding metal atoms to each other without sandwiching anything between the metal plates.

金属接合体の製造方法として、接合面の少なくとも一方の接合面に、十点平均粗さが0.15μm〜5μm、粗さ曲線要素の平均長さが1.4μm〜40μmである凹凸面をメッキ処理で形成する技術がある(例えば、特許文献1参照)。 As a method for manufacturing a metal joint, at least one of the joint surfaces is plated with an uneven surface having a ten-point average roughness of 0.15 μm to 5 μm and an average length of roughness curve elements of 1.4 μm to 40 μm. There is a technique for forming by processing (see, for example, Patent Document 1).

特開2015−54329号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-54329

しかしながら、研磨などで平滑化処理を行った絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板のいずれも表面が平坦でなく、緩く曲がりくねったうねりがある。図15は、従来例にかかる金属接合体の接合前の状態を示す断面図である。図15において、第1金属部31が厚い銅板であり、第2金属部32が薄い銅板であり、第1金属部31、第2金属部32の表面にうねり33が存在している。うねり33の高低差h3は、数μm程度、例えば、0.5μm〜10μmの範囲内である。 However, the surface of both the thin copper plate and the thick copper plate on the insulating substrate that has been smoothed by polishing or the like is not flat, and there are loosely winding undulations. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state before joining the metal joint according to the conventional example. In FIG. 15, the first metal portion 31 is a thick copper plate, the second metal portion 32 is a thin copper plate, and the waviness 33 is present on the surfaces of the first metal portion 31 and the second metal portion 32. The height difference h3 of the swell 33 is about several μm, for example, in the range of 0.5 μm to 10 μm.

ここで、図16は、表面粗さと破断応力との関係を示すグラフである。図16において、横軸は、表面粗さRaを示し、単位はnmである。また、縦軸は、破断応力を示し、単位はMPaである。ここで、表面粗さRaとは、表面の算術平均粗さ(Ra)のことである。また、破断応力とは、材料にせん断応力を与えていき、材料が破断する際の圧力である。図16は銅板と銅板とを直接接合して、破断応力を測定した結果である。 Here, FIG. 16 is a graph showing the relationship between the surface roughness and the breaking stress. In FIG. 16, the horizontal axis represents the surface roughness Ra, and the unit is nm. The vertical axis represents the breaking stress, and the unit is MPa. Here, the surface roughness Ra is the arithmetic mean roughness (Ra) of the surface. Further, the breaking stress is a pressure at which a shear stress is applied to the material and the material breaks. FIG. 16 shows the result of measuring the breaking stress by directly joining the copper plate and the copper plate.

図16に示すように、銅板の表面粗さRaが12nmから300nmへと増加すると破断応力は67MPaから20MPaへと低下する。高低差h3が数μm程度は、表面粗さRaが200nm〜2000nm程度になり、破断応力は20MPa以下となる。実用的な接合強度を得るためには、20MPaより大きな破断応力は必要であり、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板とを接合させても、十分な接合強度が得られないと推測される。 As shown in FIG. 16, when the surface roughness Ra of the copper plate increases from 12 nm to 300 nm, the breaking stress decreases from 67 MPa to 20 MPa. When the height difference h3 is about several μm, the surface roughness Ra is about 200 nm to 2000 nm, and the breaking stress is 20 MPa or less. In order to obtain a practical bonding strength, a breaking stress larger than 20 MPa is required, and it is presumed that sufficient bonding strength cannot be obtained even if a thin copper plate and a thick copper plate on an insulating substrate are bonded.

図17は、従来例にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。図17は、図15の第1金属部31と第2金属部32とに、矢印A(図15参照)の方向に圧力を加えて、接合した結果である。図17に示すように、第1金属部31の表面のうねりと第2金属部32の表面のうねりの影響で第1金属部31と第2金属部32とが局部的にしか接合されず、第1金属部31と第2金属部32との界面に隙間が多く存在し、第1金属部31と第2金属部32とが接触する面積が狭くなっている。 FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the metal joint according to the conventional example. FIG. 17 shows the result of joining the first metal portion 31 and the second metal portion 32 of FIG. 15 by applying pressure in the direction of arrow A (see FIG. 15). As shown in FIG. 17, the waviness of the surface of the first metal portion 31 and the waviness of the surface of the second metal portion 32 cause the first metal portion 31 and the second metal portion 32 to be joined only locally. There are many gaps at the interface between the first metal portion 31 and the second metal portion 32, and the area of contact between the first metal portion 31 and the second metal portion 32 is narrowed.

このように、従来例では、例えば、第1金属部31と第2金属部32との界面において、隙間の割合(以下、隙間率)が50%より大きい。なお、隙間率は、第1金属部31と第2金属部32との界面における単位面積あたりの隙間の割合を百分率で表したものである。また、隙間率は、第1金属部31と第2金属部32とが接触する面積/(第1金属部31と第2金属部32とが接触する面積+第1金属部31と第2金属部32とが接触しない面積)と表現することもできる。このため、第1金属部31と第2金属部32との接合で、十分な接合強度が得られず、さらに、第2金属部32から第1金属部31への放熱特性も悪くなる。 As described above, in the conventional example, for example, at the interface between the first metal portion 31 and the second metal portion 32, the ratio of the gap (hereinafter referred to as the gap ratio) is larger than 50%. The gap ratio is a percentage of the gap ratio per unit area at the interface between the first metal portion 31 and the second metal portion 32. The gap ratio is the area where the first metal portion 31 and the second metal portion 32 are in contact with each other / (the area where the first metal portion 31 and the second metal portion 32 are in contact with each other + the first metal portion 31 and the second metal). It can also be expressed as an area that does not come into contact with the portion 32). Therefore, sufficient joining strength cannot be obtained by joining the first metal portion 31 and the second metal portion 32, and further, the heat dissipation characteristics from the second metal portion 32 to the first metal portion 31 also deteriorate.

なお、第1金属部31および第2金属部32の表面にめっき、スパッタリング、蒸着等で平坦化材を積層する表面処理やCMP(化学機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)仕上げにより、表面を平坦化することが可能である。この場合、第1金属部31と第2金属部32との接合で、十分な接合強度を得ることができる場合もあるが、製造プロセスが複雑になりコストがかかるという問題がある。 The surface is flattened by surface treatment in which a flattening material is laminated on the surfaces of the first metal portion 31 and the second metal portion 32 by plating, sputtering, vapor deposition, etc., or CMP (Chemical Mechanical Polishing) finish. It is possible. In this case, sufficient joining strength may be obtained by joining the first metal portion 31 and the second metal portion 32, but there is a problem that the manufacturing process becomes complicated and costly.

例えば、半導体装置の絶縁基板上の薄い銅板に厚い銅板を接合させた場合、薄い銅板の表面と厚い銅板の表面にうねりがあるため、薄い銅板と厚い銅板との間に隙間が多く存在する。このため、銅板同士の十分な接合強度が得られず、さらに、銅板の放熱特性も悪くなる。 For example, when a thick copper plate is joined to a thin copper plate on an insulating substrate of a semiconductor device, there are undulations on the surface of the thin copper plate and the surface of the thick copper plate, so that there are many gaps between the thin copper plate and the thick copper plate. Therefore, sufficient bonding strength between the copper plates cannot be obtained, and the heat dissipation characteristics of the copper plates also deteriorate.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、表面にうねりのある金属板を十分な接合強度で接合させ、放熱特性を向上できる金属接合体および金属接合体の製造方法を提供することを目的とする。さらに、この発明は、絶縁基板上に上記金属接合体を用いて放熱特性を向上した半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a metal joint and a method for manufacturing a metal joint capable of improving heat dissipation characteristics by joining metal plates having waviness on the surface with sufficient joining strength in order to solve the above-mentioned problems caused by the prior art. The purpose is. A further object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, which have improved heat dissipation characteristics by using the metal joint on an insulating substrate.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体は、次の特徴を有する。第1金属部および第2金属部を接合させた金属接合体であって、上面視で、前記第1金属部と前記第2金属部との界面の縦方向、横方向の両方向に、規則的な隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、50%以下である。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the metal joint according to the present invention has the following features. It is a metal joint body in which a first metal part and a second metal part are joined , and is regularly arranged in both the vertical direction and the horizontal direction of the interface between the first metal part and the second metal part in a top view. The gaps are lined up, and the ratio of the gaps at the interface is 50% or less.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体は、次の特徴を有する。第1金属部および第2金属部を接合させた金属接合体であって、前記第1金属部と前記第2金属部との間に挟まれる、両側に凹凸を有する中間金属部を備える。前記第1金属部と前記中間金属部との界面および前記第2金属部と前記中間金属部との界面に隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、50%以下である。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the metal joint according to the present invention has the following features. It is a metal joint body in which a first metal portion and a second metal portion are joined, and includes an intermediate metal portion having irregularities on both sides, which is sandwiched between the first metal portion and the second metal portion. Gaps are lined up at the interface between the first metal portion and the intermediate metal portion and the interface between the second metal portion and the intermediate metal portion, and the ratio of the gaps at the interface is 50% or less.

また、この発明にかかる金属接合体は、上述した発明において、前記隙間は前記界面において、規則的に並んでいることを特徴とする。 Further, the metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the gaps are regularly arranged at the interface.

また、この発明にかかる金属接合体は、上述した発明において、前記第1金属部および前記第2金属部は、銅、銀、金または白金を含む金属からなることを特徴とする。 Further, the metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the first metal portion and the second metal portion are made of a metal containing copper, silver, gold or platinum.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体は、次の特徴を有する。半導体装置は、半導体素子と、電極パターンが設けられ、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記半導体素子と前記電極パターンとを電気的に接続する配線と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する。前記電極パターンは、第1金属部および第2金属部を接合させた金属接合体であり、前記第1金属部と前記第2金属部との界面の縦方向、横方向の両方向に、規則的な隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、50%以下である。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the metal joint according to the present invention has the following features. The semiconductor device includes a semiconductor element, a laminated substrate provided with an electrode pattern and mounted on the semiconductor element, wiring for electrically connecting the semiconductor element and the electrode pattern, and a metal substrate on which the laminated substrate is mounted. Has. The electrode pattern is a metal joint in which a first metal portion and a second metal portion are joined, and is regular in both the vertical direction and the horizontal direction of the interface between the first metal portion and the second metal portion. The gaps are lined up, and the ratio of the gaps at the interface is 50% or less.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第2金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第1工程を行う。次に、前記第2金属部の前記凹凸形状が形成された面と、第1金属部の、うねりが存在する一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を塑性変形させることで、前記第1金属部と前記第2金属部とを接合させる第2工程を行う。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for producing a metal joint according to the present invention has the following features. First, the first step of forming an uneven shape on one surface of the second metal portion is performed. Next, the surface of the second metal portion on which the concave-convex shape is formed and the surface of the first metal portion where the undulation exists are opposed to each other, and the convex portion of the concave-convex shape is plasticized by heating and pressurizing. By deforming, the second step of joining the first metal portion and the second metal portion is performed.

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記第1工程より後、前記第2工程より前に、還元ガスを用いて前記第1金属部および前記第2金属部の酸化膜を除去する工程を、含むことを特徴とする。 Further, in the above-described invention, the method for producing a metal joint according to the present invention is the first metal portion and the second metal portion using a reducing gas after the first step and before the second step. It is characterized by including a step of removing the oxide film of the above.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、次の特徴を有する。まず、中間金属部の両面に凹凸形状を形成する第1工程を行う。次に、第1金属部の一方の面と前記中間金属部の一方の面とを対向させ、第2金属部の一方の面と前記中間金属部の他方の面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を塑性変形させることで、前記第1金属部と前記中間金属部、および前記第2金属部と前記中間金属部とを接合させる第2工程を行う。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for producing a metal joint according to the present invention has the following features. First, the first step of forming an uneven shape on both surfaces of the intermediate metal portion is performed. Next, one surface of the first metal portion and one surface of the intermediate metal portion are opposed to each other, and one surface of the second metal portion and the other surface of the intermediate metal portion are opposed to each other, and heated and applied. The second step of joining the first metal portion and the intermediate metal portion, and the second metal portion and the intermediate metal portion is performed by plastically deforming the convex portion of the concave-convex shape by pressure.

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記第1工程より後、前記第2工程より前に、還元ガスを用いて前記第1金属部、前記第2金属部および前記中間金属部の酸化膜を除去する工程を、含むことを特徴とする。 Further, in the above-described invention, the method for producing a metal joint according to the present invention is a method for producing the first metal portion and the second metal portion by using a reducing gas after the first step and before the second step. It is characterized by including a step of removing the oxide film of the intermediate metal portion.

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記還元ガスは、ギ酸または水素を含むことを特徴とする。 Further, the method for producing a metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the reducing gas contains formic acid or hydrogen.

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の高さが、0.1〜20μmの範囲内にあることを特徴とする。 Further, the method for producing a metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the height of the convex portion of the concave-convex shape is within the range of 0.1 to 20 μm.

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の幅が、1〜200μmの範囲内にあることを特徴とする。 Further, the method for producing a metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the width of the convex portion of the concave-convex shape is within the range of 1 to 200 μm.

また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の間隔が、1〜200μmの範囲内にあることを特徴とする。また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記凹凸形状の凸部の間隔に対する前記凹凸形状の凸部の幅の比率は、0.5〜4の範囲内にあることを特徴とする。また、この発明にかかる金属接合体の製造方法は、上述した発明において、前記うねりの高低差は、0.5μm〜10μmの範囲内であることを特徴とする。
Further, the method for producing a metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the distance between the convex portions of the concave-convex shape is within the range of 1 to 200 μm. Further, in the method for manufacturing a metal joint according to the present invention, in the above-described invention, the ratio of the width of the convex portion of the concave-convex shape to the interval of the convex portion of the concave-convex shape is in the range of 0.5 to 4. It is characterized by that. Further, the method for producing a metal joint according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the height difference of the waviness is within the range of 0.5 μm to 10 μm.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、第2金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第1工程を行う。次に、前記第2金属部の前記凹凸形状が形成された面と、積層基板上に設けられた第1金属部の、うねりが存在する一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を塑性変形させることで、前記第1金属部と前記第2金属部とを接合させ、電極パターンを形成する第2工程を行う。次に、前記積層基板に半導体素子を搭載する第3工程を行う。次に、前記積層基板を積層組立体に組み立てる第4工程を行う。次に、前記半導体素子と前記積層基板上の電極パターンとを電気的に接続する第5工程を行う。次に、前記積層組立体に樹脂ケースを組み合わせる第6工程を行う。

In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention has the following features. First, the first step of forming an uneven shape on one surface of the second metal portion is performed. Next, the surface of the second metal portion on which the uneven shape is formed and the surface of the first metal portion provided on the laminated substrate in which waviness exists are made to face each other, and the surface is heated and pressurized. A second step of forming an electrode pattern is performed by joining the first metal portion and the second metal portion by plastically deforming the convex portion of the concave-convex shape. Next, a third step of mounting the semiconductor element on the laminated substrate is performed. Next, a fourth step of assembling the laminated substrate into the laminated assembly is performed. Next, a fifth step of electrically connecting the semiconductor element and the electrode pattern on the laminated substrate is performed. Next, a sixth step of combining the resin case with the laminated assembly is performed.

上述した発明によれば、第1金属部または第2金属部に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状が加圧、加熱により塑性変形することで、第1金属部と第2金属部との接触面積を増加させることができ、接合強度を向上できる。また、凹凸形状の凸部が塑性変形して表面のうねりの凹部に入り込み、凸部が隙間を埋めている。これにより、隙間の割合が従来よりも少なくなり、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。 According to the invention described above, the first metal portion or the second metal portion is provided with an uneven shape. By plastically deforming this uneven shape by pressurization and heating, the contact area between the first metal portion and the second metal portion can be increased, and the joint strength can be improved. Further, the convex portion having an uneven shape is plastically deformed and enters the concave portion of the waviness on the surface, and the convex portion fills the gap. As a result, the ratio of gaps is smaller than before, heat dissipation characteristics are improved, and high heat resistance is obtained.

さらに、第1金属部と第2金属部とはギ酸環境下で加熱、加圧されている。このため、接触部は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上する。また、接触部に、はんだ等の低融点材料を用いていないことから、金属接合体は、再融解することがないため、高耐熱性の金属接合体を実現できる。 Further, the first metal part and the second metal part are heated and pressurized in a formic acid environment. For this reason, metal atoms without an oxide film are exposed in the contact portion, and the metal atoms are directly bonded to each other, so that the bonding strength is high and the heat dissipation characteristics are also improved. Further, since a low melting point material such as solder is not used for the contact portion, the metal joint does not remelt, so that a highly heat-resistant metal joint can be realized.

上述した発明の半導体装置によれば、凹凸形状を形成した厚い銅板を、絶縁基板上の薄い銅板に接合することで、厚い銅板を形成することができる。これにより、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板のめっき、スパッタ、蒸着等の表面処理や、はんだや銀焼結材等の中間金属層を必要としない安価な製造プロセスでパワー半導体モジュールの放熱特性を向上できる。 According to the semiconductor device of the above-described invention, a thick copper plate can be formed by joining a thick copper plate having a concavo-convex shape to a thin copper plate on an insulating substrate. As a result, the heat dissipation characteristics of power semiconductor modules can be achieved by surface treatment such as plating, sputtering, and vapor deposition of thin and thick copper plates on an insulating substrate, and by an inexpensive manufacturing process that does not require an intermediate metal layer such as solder or silver sintered material. Can be improved.

本発明にかかる金属接合体および金属接合体の製造方法によれば、表面にうねりのある金属板を十分な接合強度で接合させ、放熱特性を向上できるという効果を奏する。また、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、絶縁基板上に上記金属接合体を用いることで放熱特性を向上できるという効果を奏する。 According to the metal joint and the method for producing a metal joint according to the present invention, it is possible to bond metal plates having waviness on the surface with sufficient joint strength and to improve heat dissipation characteristics. Further, according to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention, there is an effect that the heat dissipation characteristics can be improved by using the metal joint on the insulating substrate.

実施の形態1にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the metal joint body which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1にかかる金属接合体の図1の接合部Aの拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of a joint portion A of FIG. 1 of the metal joint according to the first embodiment. 実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。It is sectional drawing which shows the state in the process of manufacturing the metal joint which concerns on Embodiment 1 (the 1). 実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the metal joint according to the first embodiment is in the process of being manufactured (No. 2). 実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the metal joint according to the first embodiment is in the process of being manufactured (No. 3). 実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である(その4)。It is sectional drawing which shows the state in the process of manufacturing the metal joint which concerns on Embodiment 1 (the 4). 実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態の図5の部分Bの拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of a portion B of FIG. 5 in a state in which the metal joint according to the first embodiment is being manufactured. 図3における多孔板の詳細を示す上面図である。It is a top view which shows the detail of the perforated plate in FIG. 実施の形態1にかかる金属接合体を用いたパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the power semiconductor module using the metal joint which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態2にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the metal joint body which concerns on Embodiment 2. 実施の形態2にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the process of manufacturing of the metal joint body which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the observation result of the joint part of the metal joint which concerns on Example. 従来例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。It is a top view which shows typically the observation result of the joint part of the metal joint which concerns on the prior art. 実施例にかかる金属接合体の接合部の凸部の幅、高さ、間隔と接合強度および隙間率との関係を示す表である。It is a table which shows the relationship between the width, height, and spacing of the convex part of the joint part of the metal joint body which concerns on Example, and the joint strength and the gap ratio. 従来例にかかる金属接合体の接合前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining of the metal joint body which concerns on a prior art example. 表面粗さと破断応力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the surface roughness and the breaking stress. 従来例にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the metal joint body which concerns on the prior art example.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the metal joint, the method for manufacturing the metal joint, the semiconductor device, and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(実施の形態1)
図1は、実施の形態1にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。図1に示すように、金属接合体は、直接接合された第1金属部1および第2金属部2から構成される。第1金属部1は、例えば、絶縁基板上の薄い銅板であり、第2金属部2は、薄い銅板と直接接合された厚い銅板である。金属接合体は、表面にうねり33が存在する第1金属部1と第2金属部2とを接合させているため、第1金属部1と第2金属部2との接触面において、隙間11が存在する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the metal joint according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the metal joint is composed of a first metal portion 1 and a second metal portion 2 that are directly joined. The first metal portion 1 is, for example, a thin copper plate on an insulating substrate, and the second metal portion 2 is a thick copper plate directly bonded to the thin copper plate. Since the metal joint body joins the first metal portion 1 and the second metal portion 2 having the waviness 33 on the surface, the gap 11 is formed on the contact surface between the first metal portion 1 and the second metal portion 2. Exists.

しかしながら、実施の形態1では、隙間11は規則的に設けられている。実施の形態1では、詳細は後述するように、第2金属部2の表面に凹凸形状が設けられている。なお、第1金属部1の表面に凹凸形状が設けられる形態であってもよい。この凹凸形状により、隙間11が形成される。 However, in the first embodiment, the gaps 11 are regularly provided. In the first embodiment, as will be described in detail later, the surface of the second metal portion 2 is provided with an uneven shape. The surface of the first metal portion 1 may be provided with an uneven shape. A gap 11 is formed by this uneven shape.

ここで、図2は、実施の形態1にかかる金属接合体の図1の接合部Aの拡大図である。図2に示すように、凹凸形状は、うねり33より凹凸のピッチ(凸部と凸部との間の間隔w1)が狭く形成されているため、表面のうねり33の凹部に入り込み、凸部がうねり33による隙間を埋めている。これにより、未結合部やボイドの少ない金属接合体となり、第1金属部1と第2金属部2との接触面において隙間率(隙間の割合)は従来例の場合よりも少なくなっている。具体的には、実施の形態1では、隙間率が50%以下となっている。このため、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。なお、隙間率については後述する。 Here, FIG. 2 is an enlarged view of the joint portion A of FIG. 1 of the metal joint according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, since the uneven shape is formed so that the pitch of the unevenness (distance w1 between the convex portions) is narrower than that of the waviness 33, the uneven shape enters the concave portion of the waviness 33 on the surface, and the convex portion is formed. The gap due to the swell 33 is filled. As a result, the metal joint has few unbonded portions and voids, and the gap ratio (ratio of gaps) on the contact surface between the first metal portion 1 and the second metal portion 2 is smaller than that in the conventional example. Specifically, in the first embodiment, the gap ratio is 50% or less. Therefore, the heat dissipation characteristics are improved and the heat resistance is high. The gap ratio will be described later.

また、凹凸形状の凸部が接合時に加えられる圧力により凹凸形状の凸部が塑性変形して、第1金属部1と第2金属部2と接触部12が形成される。図2に示すように凸部の先端がつぶれて、凸部の先端がうねり33と接するようになる。この接触部12により、第1金属部1と第2金属部2が接触する面積(以下、接触面積)を増加させることができる。このため、実施の形態1では、従来例のようにうねりがある表面同士を直接接合した場合より、接触部12の接触面積を増加させることができ、接合強度が向上する。従って、隙間率は50%以下がより好ましい。これ以下になると接合強度は20MPa以上となるためである。また、例えば、第2金属部2の表面に設けられた規則的な凹凸のピッチを有する凹凸形状に対応して、接合部において規則的な隙間11が形成される。つまり、隙間11は、第2金属部2等の表面に設けられた所定の凹凸形状のピッチに対応したピッチで規則的に形成される。しかし、一部の凸部は変形して隙間11が狭くなったり、無くなったりする場合もある。実際に、十分な接合強度が得られた接合部においては、60%以上の規則的な隙間を有している。 Further, the convex portion having the concave-convex shape is plastically deformed by the pressure applied at the time of joining to form the first metal portion 1, the second metal portion 2, and the contact portion 12. As shown in FIG. 2, the tip of the convex portion is crushed, and the tip of the convex portion comes into contact with the swell 33. With this contact portion 12, the area in which the first metal portion 1 and the second metal portion 2 are in contact (hereinafter referred to as the contact area) can be increased. Therefore, in the first embodiment, the contact area of the contact portion 12 can be increased and the bonding strength is improved as compared with the case where the wavy surfaces are directly bonded to each other as in the conventional example. Therefore, the gap ratio is more preferably 50% or less. This is because if it is less than this, the bonding strength becomes 20 MPa or more. Further, for example, a regular gap 11 is formed at the joint portion corresponding to the uneven shape having a regular uneven pitch provided on the surface of the second metal portion 2. That is, the gap 11 is regularly formed at a pitch corresponding to the pitch of a predetermined uneven shape provided on the surface of the second metal portion 2 or the like. However, some of the convex portions may be deformed to narrow or eliminate the gap 11. In fact, the joint portion where sufficient joint strength is obtained has a regular gap of 60% or more.

さらに、後述するように、第1金属部1と第2金属部2との接触面は、還元ガス、例えばギ酸(CH22)環境下で加熱、加圧されている。このため、接触部12は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上している。従って、還元ガスが接合界面の細部まで行きわたるように、最終的な隙間率は、5%以上がより好ましい。 Further, as will be described later, the contact surface between the first metal portion 1 and the second metal portion 2 is heated and pressurized in a reducing gas, for example, formic acid (CH 2 O 2) environment. Therefore, in the contact portion 12, metal atoms without an oxide film are exposed, and the metal atoms are directly bonded to each other, so that the bonding strength is high and the heat dissipation characteristics are also improved. Therefore, the final clearance ratio is more preferably 5% or more so that the reducing gas reaches the details of the bonding interface.

また、凹凸形状の凹部による隙間11は、外部と通じる空乏となり、還元ガスが第1金属部1と第2金属部2との界面全面に到達して、還元ガスによる還元性が向上し、酸化膜が減少するため、接合強度が向上する。 Further, the gap 11 due to the concave-convex-shaped recess becomes a vacancy that communicates with the outside, and the reducing gas reaches the entire interface between the first metal portion 1 and the second metal portion 2, the reducing property by the reducing gas is improved, and oxidation is performed. Since the film is reduced, the bonding strength is improved.

また、第1金属部1と第2金属部2の金属は、加熱、加圧で塑性変形させるため、あまり硬くない金属であることが好ましい。また、酸化膜が作られると、金属原子が直接結合できず、接合強度、放熱特性が劣化するため、酸化膜が作成されにくい金属であることが好ましい。また、直接結合した際に、互いの原子が相互に入ると、接合強度、放熱特性が向上するため、互いの原子が相互に拡散しやすい金属であることが好ましい。このため、第1金属部1と第2金属部2の金属は、同じ金属であることが好ましい。具体的には、第1金属部1と第2金属部2は、銅、銀(Ag)、金(Au)または白金(Pt)を含む金属であることが好ましい。また、第1金属部1と第2金属部2は、銅であることがより好ましい。なお、銅の場合、銅を主成分とし、80wt%以上が好ましい。この範囲であれば、純銅の場合と同様の効果を有する。また、銀、金、白金も銅と同様である。以降では銅板について記すがこれに限定されるものではない。 Further, the metal of the first metal portion 1 and the second metal portion 2 is preferably not very hard because it is plastically deformed by heating and pressure. Further, when an oxide film is formed, metal atoms cannot be directly bonded to each other, and the bonding strength and heat dissipation characteristics deteriorate. Therefore, it is preferable that the metal is difficult to form an oxide film. Further, when atoms are directly bonded to each other, if the atoms enter each other, the bonding strength and heat dissipation characteristics are improved. Therefore, it is preferable that the metal is a metal in which the atoms are easily diffused into each other. Therefore, it is preferable that the metal of the first metal portion 1 and the second metal portion 2 is the same metal. Specifically, the first metal portion 1 and the second metal portion 2 are preferably metals containing copper, silver (Ag), gold (Au) or platinum (Pt). Further, it is more preferable that the first metal portion 1 and the second metal portion 2 are copper. In the case of copper, copper is the main component, and 80 wt% or more is preferable. Within this range, it has the same effect as that of pure copper. Also, silver, gold, and platinum are similar to copper. In the following, the copper plate will be described, but the present invention is not limited to this.

また、実施の形態1では、第1金属部1と第2金属部2とを接合する形態を示したが、2つより多くの金属部を接合してもよい。金属部を積層する層を増やすことで、金属部の厚さを厚くすることができる。 Further, in the first embodiment, the first metal part 1 and the second metal part 2 are joined to each other, but more than two metal parts may be joined. The thickness of the metal portion can be increased by increasing the number of layers on which the metal portion is laminated.

(実施の形態1にかかる金属接合体の製造方法)
次に、実施の形態1にかかる金属接合体の製造方法について説明する。図3〜図6は、実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である。まず、直径w11の孔13が規則的に並んでいる膜厚h1のSUS(Stainless Used Steel)製の多孔板4と、第2金属部2とを用意する。図8は、図3における多孔板の詳細を示す上面図である。多孔板4では、例えば、開口率が50%程度になるように孔13が設けられる。ここまでの状態が図3に記載される。
(Method for manufacturing a metal joint according to the first embodiment)
Next, a method for manufacturing the metal joint according to the first embodiment will be described. 3 to 6 are cross-sectional views showing a state in which the metal joint according to the first embodiment is in the process of being manufactured. First, a perforated plate 4 made of SUS (Stainless Steel) having a film thickness of h1 in which holes 13 having a diameter w11 are regularly arranged and a second metal portion 2 are prepared. FIG. 8 is a top view showing the details of the perforated plate in FIG. In the perforated plate 4, for example, the holes 13 are provided so that the opening ratio is about 50%. The state up to this point is shown in FIG.

次に、第2金属部2に多孔板4をプレスすることで、第2金属部2の表面に凹凸形状を形成する。凹凸形状の凸部14は、直径w11の円状の孔13より形成されるため、円柱状の凸部14の直径w21は孔13の直径w11と同程度になり、凸部14の高さh2は多孔板4の膜厚h1と同程度になる。また、プレスによって形成された凸部14は角が取れているため、中央部が先に第1金属部1と接触して、塑性変形しやすくなり接触面積が増える。なお、凸部は柱体であればよく、四角柱などの角柱状でもよく、底面の形状は、四角などの多角形でも楕円でもよい。また、凸部は板状の金属部平面に垂直に形成されることが好ましいが、斜角柱のように傾いていてもよい。 Next, by pressing the perforated plate 4 onto the second metal portion 2, an uneven shape is formed on the surface of the second metal portion 2. Since the concave-convex-shaped convex portion 14 is formed from the circular hole 13 having a diameter w11, the diameter w21 of the columnar convex portion 14 is about the same as the diameter w11 of the hole 13, and the height h2 of the convex portion 14 Is about the same as the film thickness h1 of the perforated plate 4. Further, since the convex portion 14 formed by the press has a rounded corner, the central portion first contacts the first metal portion 1, and plastic deformation is likely to occur, so that the contact area increases. The convex portion may be a pillar, or may be a prism such as a square pillar, and the shape of the bottom surface may be a polygon such as a square or an ellipse. Further, the convex portion is preferably formed perpendicular to the plane of the plate-shaped metal portion, but may be inclined like an oblique prism.

ここで、凹凸形状の凸部14の高さh2は、表面のうねり33の凹部(図1参照)に入り込むだけの高さであることが好ましい。高さh2が大きすぎると隙間11の割合が増えるため、熱伝導率が低下し、接合強度が悪化する。このため、例えば、凹凸形状の凸部14の高さh2は、0.1〜20μmの範囲内にあることが好ましい。 Here, the height h2 of the convex portion 14 having the concave-convex shape is preferably a height sufficient to enter the concave portion (see FIG. 1) of the waviness 33 on the surface. If the height h2 is too large, the proportion of the gap 11 increases, so that the thermal conductivity decreases and the bonding strength deteriorates. Therefore, for example, the height h2 of the convex portion 14 having a concave-convex shape is preferably in the range of 0.1 to 20 μm.

また、凹凸形状の凸部14の幅w21は、小さい方が塑性変形しやすく、凹凸形状の凸部14の間隔w22は、小さい方が凸部14の数が増え、接触面積が増えるため好ましい。このため、例えば、凹凸形状の凸部14の幅w21、凹凸形状の凸部の間隔w22は、どちらも1〜200μmの範囲内にあることが好ましい。また、プレスではなく、エッチングにより第2金属部2に凸部14と凹部15とを形成してもよい。ここまでの状態が図4に記載される。なお、第2金属部2の表面にもうねりは残存していてもよい。 Further, the smaller the width w21 of the convex portion 14 of the concave-convex shape is, the easier it is to be plastically deformed, and the smaller the distance w22 of the convex portion 14 of the concave-convex shape is, the more the number of convex portions 14 is and the larger the contact area is, which is preferable. Therefore, for example, it is preferable that the width w21 of the convex portion 14 having the concave-convex shape and the distance w22 between the convex portions having the concave-convex shape are both within the range of 1 to 200 μm. Further, the convex portion 14 and the concave portion 15 may be formed in the second metal portion 2 by etching instead of pressing. The state up to this point is shown in FIG. The swell may remain on the surface of the second metal portion 2.

次に、第1金属部1と接合する第2金属部2を用意し、圧力を加えることができる治具に、第1金属部1と第2金属部2との間にギャップを開けた状態で配置する。ここまでの状態が図5に記載される。図5は、半導体装置の積層基板に関するものであるが、第1金属部と第2金属部との接合においても同様である。なお、半導体装置の積層基板においては、絶縁基板5の両面に第1金属部1が設けられているが、片面だけの場合であってもよい。ここで、図7は、実施の形態1にかかる金属接合体の製造途中の状態の図5の部分Bの拡大図である。図7に示すように、第1金属部1の表面にはうねり33が存在し、矢印Aの方向に圧力が加えられる。 Next, a state in which a second metal portion 2 to be joined to the first metal portion 1 is prepared and a gap is opened between the first metal portion 1 and the second metal portion 2 in a jig capable of applying pressure. Place with. The state up to this point is shown in FIG. FIG. 5 relates to a laminated substrate of a semiconductor device, but the same applies to the joining of the first metal portion and the second metal portion. In the laminated substrate of the semiconductor device, the first metal portion 1 is provided on both sides of the insulating substrate 5, but it may be the case of only one side. Here, FIG. 7 is an enlarged view of a portion B of FIG. 5 in a state in which the metal joint according to the first embodiment is being manufactured. As shown in FIG. 7, a waviness 33 exists on the surface of the first metal portion 1, and pressure is applied in the direction of arrow A.

次に、ギャップにギ酸、水素(H2)等の還元ガス(気体)を導入し、第1金属部1と第2金属部2の表面の酸化膜を除去して、新生面を出す。なお、この際の雰囲気の圧力(ガス圧)は、大気圧あるいは減圧環境下でもよい。次に、第1金属部1と第2金属部2に加圧、加熱を行うことにより、第1金属部1と第2金属部2とを接合する。加熱は、例えば、ヒータにより第1金属部1と第2金属部2とを150℃〜300℃程度の温度にする。圧力として、局所的に銅の塑性変形圧力を超えるように例えば10MPa〜50MPaの圧力をかける。ここまでの状態が図6に記載される。以上のようにして、図1に示す金属接合体が製造される。なお、第1金属部1の厚さは、第2金属部2の厚さより厚くても、同等でもかまわない。導電性板同士を接合し、電極パターンとして厚い導電性板が形成される。また、第2金属部2の代わりに第1金属部1に凹凸形状が形成されていても、両方に凹凸形状が形成されていてもかまわない。 Next, a reducing gas (gas) such as formic acid or hydrogen (H 2 ) is introduced into the gap to remove the oxide film on the surfaces of the first metal portion 1 and the second metal portion 2 to create a new surface. The atmospheric pressure (gas pressure) at this time may be an atmospheric pressure or a reduced pressure environment. Next, the first metal part 1 and the second metal part 2 are joined to each other by pressurizing and heating the first metal part 1 and the second metal part 2. For heating, for example, the temperature of the first metal portion 1 and the second metal portion 2 is set to about 150 ° C. to 300 ° C. by a heater. As the pressure, for example, a pressure of 10 MPa to 50 MPa is applied so as to locally exceed the plastic deformation pressure of copper. The state up to this point is shown in FIG. As described above, the metal joint shown in FIG. 1 is manufactured. The thickness of the first metal portion 1 may be thicker than or equal to the thickness of the second metal portion 2. The conductive plates are joined to each other to form a thick conductive plate as an electrode pattern. Further, the uneven shape may be formed on the first metal portion 1 instead of the second metal portion 2, or the uneven shape may be formed on both of them.

以上、説明したように、実施の形態1によれば、第1金属部または第2金属部に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状が加圧、加熱により塑性変形することで、第1金属部と第2金属部との接触面積を増加させることができ、接合強度を向上できる。また、凹凸形状の凸部が塑性変形して表面のうねりの凹部に入り込み、凸部が隙間を埋めている。これにより、隙間の割合が従来よりも少なくなり、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。 As described above, according to the first embodiment, the first metal portion or the second metal portion is provided with an uneven shape. By plastically deforming this uneven shape by pressurization and heating, the contact area between the first metal portion and the second metal portion can be increased, and the joint strength can be improved. Further, the convex portion having an uneven shape is plastically deformed and enters the concave portion of the waviness on the surface, and the convex portion fills the gap. As a result, the ratio of gaps is smaller than before, heat dissipation characteristics are improved, and high heat resistance is obtained.

さらに、第1金属部と第2金属部とはギ酸等の還元ガス雰囲気環境下で加熱し、加熱しながら加圧されている。なお、加圧する際には、還元ガス雰囲気でなくともよい。このため、接触部は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上する。また、接触部に、はんだ等の低融点材料を用いていないことから、金属接合体は、再融解することがないため、高耐熱性の金属接合体を実現できる。 Further, the first metal part and the second metal part are heated in a reducing gas atmosphere environment such as formic acid, and are pressurized while being heated. When pressurizing, the atmosphere does not have to be a reducing gas atmosphere. For this reason, metal atoms without an oxide film are exposed in the contact portion, and the metal atoms are directly bonded to each other, so that the bonding strength is high and the heat dissipation characteristics are also improved. Further, since a low melting point material such as solder is not used for the contact portion, the metal joint does not remelt, so that a highly heat-resistant metal joint can be realized.

(実施の形態1の半導体装置)
図9は、実施の形態1にかかる金属接合体を用いたパワー半導体モジュールの構成を示す断面図である。図9に示すように、パワー半導体モジュールは、パワー半導体チップ21と、絶縁基板22と、電極パターン23と、金属基板24と、端子ケース25と、金属端子26と、金属ワイヤ27と、蓋28と、封止材29と、を備える。
(Semiconductor Device of Embodiment 1)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of a power semiconductor module using the metal joint according to the first embodiment. As shown in FIG. 9, the power semiconductor module includes a power semiconductor chip 21, an insulating substrate 22, an electrode pattern 23, a metal substrate 24, a terminal case 25, a metal terminal 26, a metal wire 27, and a lid 28. And a sealing material 29.

パワー半導体チップ21は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)またはダイオード等のパワー半導体チップであり、絶縁基板22上に搭載される。なお、セラミック基板等の絶縁基板22のおもて面および裏面に銅などの電極パターン23が備えられた基板を積層基板と称する。積層基板は、金属基板24にはんだ接合されている。金属基板24には、端子ケース25が接着剤で接着されている。端子ケース25は、ポリフェニレンサルファイド(PPS:Poly Phenylene Sulfide)等の熱可塑性樹脂で、外部に信号を取り出す金属端子26を固定するためインサート成形されている。金属端子26は、積層基板上にはんだ付けで固定され、蓋28を貫通して外部に突き出ている。金属ワイヤ27は、パワー半導体チップ21と金属端子26とを電気的に接続している。蓋28は、端子ケース25と同一の熱可塑性樹脂で構成されている。封止材29は、積層基板の沿面およびパワーチップを搭載した基板上のパワー半導体チップ21を絶縁保護する封止樹脂として、端子ケース25内に充填されている。 The power semiconductor chip 21 is a power semiconductor chip such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a diode, and is mounted on an insulating substrate 22. A substrate provided with an electrode pattern 23 such as copper on the front surface and the back surface of an insulating substrate 22 such as a ceramic substrate is referred to as a laminated substrate. The laminated substrate is solder-bonded to the metal substrate 24. The terminal case 25 is adhered to the metal substrate 24 with an adhesive. The terminal case 25 is made of a thermoplastic resin such as polyphenylene sulfide (PPS), and is insert-molded to fix the metal terminal 26 that takes out a signal to the outside. The metal terminal 26 is fixed on the laminated substrate by soldering, penetrates the lid 28, and protrudes to the outside. The metal wire 27 electrically connects the power semiconductor chip 21 and the metal terminal 26. The lid 28 is made of the same thermoplastic resin as the terminal case 25. The sealing material 29 is filled in the terminal case 25 as a sealing resin that insulates and protects the power semiconductor chip 21 on the surface of the laminated substrate and on the substrate on which the power chip is mounted.

実施の形態1の半導体装置では、絶縁基板22のおもて面の電極パターン23が実施の形態1の金属接合体により構成されていることが好ましい。おもて面の電極パターン23を厚くすることでパワー半導体チップ21の熱を拡散することができる。このように、おもて面の電極パターン23は、薄い金属板と厚い金属板とを直接接合したものであり、実施の形態1の金属接合体と同様の効果を有している。例えば、実施の形態1の半導体装置では、おもて面の電極パターン23の薄い金属板と厚い金属板との界面の隙間率が50%以下となっている。これにより、実施の形態1の半導体装置の放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。 In the semiconductor device of the first embodiment, it is preferable that the electrode pattern 23 on the front surface of the insulating substrate 22 is composed of the metal joint of the first embodiment. By thickening the electrode pattern 23 on the front surface, the heat of the power semiconductor chip 21 can be diffused. As described above, the electrode pattern 23 on the front surface is a directly bonded thin metal plate and a thick metal plate, and has the same effect as the metal bonded body of the first embodiment. For example, in the semiconductor device of the first embodiment, the gap ratio at the interface between the thin metal plate and the thick metal plate of the electrode pattern 23 on the front surface is 50% or less. As a result, the heat dissipation characteristics of the semiconductor device of the first embodiment are improved, and the semiconductor device has high heat resistance.

また、実施の形態1の半導体装置では、絶縁基板22の裏面の電極パターン23が実施の形態1の金属接合体により構成されていることが好ましい。また、おもて面および裏面の電極パターン23の厚さを同じにすることで、絶縁基板22のそりを無くすことができる。また、実施の形態1の半導体装置では、電極パターン23と金属基板24の接合体も実施の形態1の金属接合体により構成することもできる。なお、上述したように、電極パターン23は第1金属部1と第2金属部2を直接接合して形成されるが、第1金属部1の厚さは、第2金属部2の厚さより厚くても、同等でもかまわない。 Further, in the semiconductor device of the first embodiment, it is preferable that the electrode pattern 23 on the back surface of the insulating substrate 22 is composed of the metal joint of the first embodiment. Further, by making the thickness of the electrode patterns 23 on the front surface and the back surface the same, the warp of the insulating substrate 22 can be eliminated. Further, in the semiconductor device of the first embodiment, the joint body of the electrode pattern 23 and the metal substrate 24 can also be composed of the metal joint body of the first embodiment. As described above, the electrode pattern 23 is formed by directly joining the first metal portion 1 and the second metal portion 2, but the thickness of the first metal portion 1 is larger than the thickness of the second metal portion 2. It can be thick or equivalent.

(実施の形態1の半導体装置の製造方法)
次に、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法について説明する。まず、絶縁基板22に薄い銅板(第1金属部)を高温で接合する。次に、例えば、実施の形態1にかかる金属接合体の製造方法と同様の方法で、厚い銅板(第2金属部)の一方の表面に凹凸形状を形成する。次に、凹凸形状が形成された厚い銅板の表面と薄い銅板の表面を対向させ、圧力を加えることができる治具に、薄い銅板と厚い銅板との間にギャップを開けた状態で配置する。なお、上述の凹凸を形成された銅板は、絶縁基板上の銅板より薄くても同等でも構わない。直接接合の作用は同じである。
(Manufacturing method of semiconductor device according to the first embodiment)
Next, a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. First, a thin copper plate (first metal portion) is joined to the insulating substrate 22 at a high temperature. Next, for example, an uneven shape is formed on one surface of a thick copper plate (second metal portion) by the same method as the method for manufacturing a metal joint according to the first embodiment. Next, the surface of the thick copper plate having the uneven shape and the surface of the thin copper plate are opposed to each other, and the surface of the thin copper plate is placed on a jig capable of applying pressure with a gap between the thin copper plate and the thick copper plate. The copper plate on which the above-mentioned unevenness is formed may be thinner or equivalent to the copper plate on the insulating substrate. The action of direct bonding is the same.

次に、ギャップにギ酸、水素等の還元ガスを導入し、薄い銅板と厚い銅板との表面の酸化膜を除去して、新生面を出す。次に、加圧、加熱を行うことにより、薄い銅板と厚い銅板とを接合する。この接合により、絶縁基板22上に電極パターン23が形成される。 Next, a reducing gas such as formic acid or hydrogen is introduced into the gap to remove the oxide film on the surface of the thin copper plate and the thick copper plate to create a new surface. Next, the thin copper plate and the thick copper plate are joined by pressurizing and heating. By this joining, the electrode pattern 23 is formed on the insulating substrate 22.

次に、はんだ等の接合材を用いて、パワー半導体チップ21を絶縁基板22上の電極パターン23に接合することで、絶縁基板22にパワー半導体チップ21を実装する。次に、パワー半導体チップ21と、絶縁基板22上の電極パターン23とを、金属ワイヤ27で電気的に接続する。次に、金属ワイヤ27が接続された電極パターン23に金属端子26を取り付ける。次に、はんだ等の接合材を用いて、これらを金属基板24に接合して、パワー半導体チップ21、絶縁基板22および金属基板24からなる積層組立体を組み立てる。また、金属ワイヤ27の代わりに、金属端子を接合してもよい。 Next, the power semiconductor chip 21 is mounted on the insulating substrate 22 by joining the power semiconductor chip 21 to the electrode pattern 23 on the insulating substrate 22 using a bonding material such as solder. Next, the power semiconductor chip 21 and the electrode pattern 23 on the insulating substrate 22 are electrically connected by the metal wire 27. Next, the metal terminal 26 is attached to the electrode pattern 23 to which the metal wire 27 is connected. Next, using a bonding material such as solder, these are bonded to the metal substrate 24 to assemble a laminated assembly composed of a power semiconductor chip 21, an insulating substrate 22, and a metal substrate 24. Further, instead of the metal wire 27, a metal terminal may be joined.

次に、この積層組立体に端子ケース25を接着する。次に、端子ケース25内にエポキシ樹脂などの硬質樹脂等の封止材29を充填する。この後、所定の条件で熱処理を行って硬化させる。次に、封止材29が外に漏れないようにするため、蓋28を取り付ける。以上のようにして、本発明の実施の形態1にかかるパワー半導体モジュールを製造することができる。 Next, the terminal case 25 is adhered to this laminated assembly. Next, the terminal case 25 is filled with a sealing material 29 such as a hard resin such as an epoxy resin. After that, heat treatment is performed under predetermined conditions to cure the mixture. Next, a lid 28 is attached to prevent the sealing material 29 from leaking to the outside. As described above, the power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention can be manufactured.

以上、説明したように、実施の形態1の半導体装置によれば、凹凸形状を形成した厚い銅板を、絶縁基板上の薄い銅板に接合することで、厚い銅板を形成することができる。これにより、絶縁基板上の薄い銅板と厚い銅板のめっき、スパッタ、蒸着等の表面処理や、はんだや銀焼結材等の中間金属層を必要としない安価な製造プロセスでパワー半導体モジュールの放熱特性を向上できる。 As described above, according to the semiconductor device of the first embodiment, a thick copper plate can be formed by joining a thick copper plate having a concave-convex shape to a thin copper plate on an insulating substrate. As a result, the heat dissipation characteristics of power semiconductor modules can be achieved by surface treatment such as plating, sputtering, and vapor deposition of thin and thick copper plates on an insulating substrate, and by an inexpensive manufacturing process that does not require an intermediate metal layer such as solder or silver sintered material. Can be improved.

(実施の形態2)
図10は、実施の形態2にかかる金属接合体の構成を示す断面図である。図10に示すように、金属接合体は、直接接合された第1金属部1、中間金属層3および第2金属部2から構成される。第1金属部1は、例えば、絶縁基板上の薄い銅板であり、第2金属部2は、厚い銅板である。中間金属層3は薄い銅板である。金属接合体は、表面にうねり33が存在する第1金属部1と中間金属層3、および中間金属層3と表面にうねり33が存在する第2金属部2とを接合させているため、第1金属部1と中間金属層3、および中間金属層3と第2金属部2との接触面において、隙間11が存在する。
(Embodiment 2)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the metal joint according to the second embodiment. As shown in FIG. 10, the metal joint is composed of a directly bonded first metal portion 1, an intermediate metal layer 3, and a second metal portion 2. The first metal portion 1 is, for example, a thin copper plate on an insulating substrate, and the second metal portion 2 is a thick copper plate. The intermediate metal layer 3 is a thin copper plate. In the metal joint, the first metal portion 1 having the waviness 33 on the surface and the intermediate metal layer 3 and the intermediate metal layer 3 and the second metal portion 2 having the waviness 33 on the surface are joined to each other. 1 There is a gap 11 at the contact surface between the metal portion 1 and the intermediate metal layer 3 and the intermediate metal layer 3 and the second metal portion 2.

しかしながら、実施の形態2では、実施の形態1と同様に隙間11は規則的に設けられている。中間金属層3の両方の表面に凹凸形状が設けられている。この凹凸形状により、隙間11が形成される。 However, in the second embodiment, the gaps 11 are regularly provided as in the first embodiment. Concavo-convex shapes are provided on both surfaces of the intermediate metal layer 3. A gap 11 is formed by this uneven shape.

実施の形態2の凹凸形状は、実施の形態1と同様の形状にすることで、第1金属部1と中間金属層3と接触面、および中間金属層3と第2金属部2との接触面において隙間11の割合を従来例の場合よりも少なくすることができる。具体的には、実施の形態1と同様に、隙間率が50%以下となっている。このため、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。なお、第1金属部1の厚さは、第2金属部2の厚さより厚くても、同等でもかまわない。 By making the concave-convex shape of the second embodiment the same shape as that of the first embodiment, the contact surface between the first metal portion 1 and the intermediate metal layer 3 and the contact between the intermediate metal layer 3 and the second metal portion 2 The ratio of the gap 11 on the surface can be made smaller than in the case of the conventional example. Specifically, as in the first embodiment, the gap ratio is 50% or less. Therefore, the heat dissipation characteristics are improved and the heat resistance is high. The thickness of the first metal portion 1 may be thicker than or equal to the thickness of the second metal portion 2.

また、凹凸形状が接合時に加えられる圧力により変形して、第1金属部1と中間金属層3との接触部12、中間金属層3と第2金属部2との接触部12が形成される。この接触部12により、実施の形態1と同様に、第1金属部1と中間金属層3とが接触する面積、中間金属層3と第2金属部2とが接触する面積(以下、接触面積)を増加させることができ、接合強度が向上する。 Further, the uneven shape is deformed by the pressure applied at the time of joining to form a contact portion 12 between the first metal portion 1 and the intermediate metal layer 3 and a contact portion 12 between the intermediate metal layer 3 and the second metal portion 2. .. With the contact portion 12, the area where the first metal portion 1 and the intermediate metal layer 3 are in contact with each other and the area where the intermediate metal layer 3 and the second metal portion 2 are in contact with each other (hereinafter, contact area) are the same as in the first embodiment. ) Can be increased and the bonding strength is improved.

また、実施の形態2でも実施の形態1と同様に、第1金属部1と中間金属層3との接触面、および中間金属層3と第2金属部2との接触面は、ギ酸環境下で加熱、加圧されており、実施の形態1と同様に、接合強度が高く放熱特性も向上している。 Further, in the second embodiment as in the first embodiment, the contact surface between the first metal portion 1 and the intermediate metal layer 3 and the contact surface between the intermediate metal layer 3 and the second metal portion 2 are under a formic acid environment. It is heated and pressurized in the above manner, and has high bonding strength and improved heat dissipation characteristics as in the first embodiment.

また、中間金属層3の凹凸形状の隙間11の高さ、隙間の幅、隙間の間隔は、実施の形態1と同様の大きさであり、第1金属部1、第2金属部2および中間金属層3は、実施の形態1と同様の金属である。前記中間金属層3の板厚は、0.1mmから2mmが好ましい。この範囲において、中間金属層3自体が変形し、第1金属部1および第2金属部2の接合面の形状(うねりやそりなど)に追従し易いからである。 Further, the height of the uneven gap 11 of the intermediate metal layer 3, the width of the gap, and the gap between the gaps are the same as those in the first embodiment, and the first metal portion 1, the second metal portion 2, and the intermediate are the same. The metal layer 3 is the same metal as in the first embodiment. The thickness of the intermediate metal layer 3 is preferably 0.1 mm to 2 mm. This is because, in this range, the intermediate metal layer 3 itself is deformed and easily follows the shape (waviness, warp, etc.) of the joint surfaces of the first metal portion 1 and the second metal portion 2.

第1金属部1と第2金属部2および中間金属層3は、実施の形態1の材料と同様の金属を用いることができる。具体的には、銅、銀、金または白金を含む金属であることが好ましい。そして、第1金属部1と第2金属部2および中間金属層3の金属は、同じ金属であることが好ましい。また、第1金属部1と第2金属部2およびは、銅であることがより好ましい。 The same metal as the material of the first embodiment can be used for the first metal portion 1, the second metal portion 2, and the intermediate metal layer 3. Specifically, it is preferably a metal containing copper, silver, gold or platinum. The metals of the first metal portion 1, the second metal portion 2, and the intermediate metal layer 3 are preferably the same metal. Further, it is more preferable that the first metal portion 1 and the second metal portion 2 are made of copper.

また、実施の形態2では、第1金属部1と第2金属部2との間に中間金属層3を接合する形態を示したが、2つより多くの金属部を接合してもよい。この場合、すべての金属部の間に、中間金属層3を設けなくてもよい。例えば、3つの金属部を接合する場合、金属部−金属部−中間金属層−金属部であってもよい。 Further, in the second embodiment, the intermediate metal layer 3 is joined between the first metal portion 1 and the second metal portion 2, but more than two metal portions may be joined. In this case, it is not necessary to provide the intermediate metal layer 3 between all the metal portions. For example, when joining three metal parts, it may be a metal part-metal part-intermediate metal layer-metal part.

(実施の形態2にかかる金属接合体の製造方法)
次に、実施の形態2にかかる金属接合体の製造方法について説明する。図11は、実施の形態2にかかる金属接合体の製造途中の状態を示す断面図である。まず、実施の形態1と同様の多孔板4と、中間金属層3とを用意する。
(Method for manufacturing a metal joint according to the second embodiment)
Next, a method for manufacturing the metal joint according to the second embodiment will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state in which the metal joint according to the second embodiment is in the process of being manufactured. First, the same perforated plate 4 as in the first embodiment and the intermediate metal layer 3 are prepared.

次に、中間金属層3に多孔板4をプレスすることで、中間金属層3の表面に凸部14と凹部15とを形成する。この際、中間金属層3の両面に凸部14と凹部15とを形成するが、同時に形成してもよく、別々に形成してもよい。凸部14の形状は実施の形態1と同様でよい。なお、中間金属層3の片側の面の凸部14の少なくとも一部は、他方の面の凸部14と対向するように設けられることが好ましい。凸部14が互い違いに形成されると、圧力が均一に伝わりづらいためである。 Next, by pressing the perforated plate 4 onto the intermediate metal layer 3, the convex portion 14 and the concave portion 15 are formed on the surface of the intermediate metal layer 3. At this time, the convex portion 14 and the concave portion 15 are formed on both surfaces of the intermediate metal layer 3, but they may be formed at the same time or separately. The shape of the convex portion 14 may be the same as that of the first embodiment. It is preferable that at least a part of the convex portion 14 on one side of the intermediate metal layer 3 is provided so as to face the convex portion 14 on the other surface. This is because if the convex portions 14 are formed alternately, it is difficult for the pressure to be uniformly transmitted.

次に、第1金属部1と第2金属部2を用意し、圧力を加えることができる治具に、第1金属部1と中間金属層3との間、および中間金属層3と第2金属部2との間にギャップを開けた状態で配置する。この状態が図11に記載される。 Next, the first metal part 1 and the second metal part 2 are prepared, and a jig capable of applying pressure is used between the first metal part 1 and the intermediate metal layer 3 and between the intermediate metal layer 3 and the second metal layer 3. It is arranged with a gap between it and the metal portion 2. This state is shown in FIG.

次に、ギャップにギ酸、水素等の還元ガスを導入し、第1金属部1、第2金属部2および中間金属層3の表面の酸化膜を除去して、新生面を出す。次に、加圧、加熱を行うことにより、第1金属部1、第2金属部2および中間金属層3を接合する。ここで、加圧、加熱の条件は実施の形態1と同様でよい。以上のようにして、図10に示す金属接合体が製造される。 Next, a reducing gas such as formic acid or hydrogen is introduced into the gap to remove the oxide film on the surface of the first metal portion 1, the second metal portion 2 and the intermediate metal layer 3, and a new surface is produced. Next, the first metal portion 1, the second metal portion 2 and the intermediate metal layer 3 are joined by pressurizing and heating. Here, the conditions of pressurization and heating may be the same as those of the first embodiment. As described above, the metal joint shown in FIG. 10 is manufactured.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、中間金属層に凹凸形状が設けられる。この凹凸形状が加圧、加熱により塑性変形することで、接触部の接触面積を増加させることができ、接合強度を向上できる。また、凹凸形状の凸部が塑性変形して表面のうねりの凹部に入り込み、凸部が隙間を埋めている。これにより、隙間の割合が従来よりも少なくなり、放熱特性が向上し、高耐熱性を有する。また、実施の形態2では、中間金属層が第1金属部、第2金属部のそりに追従できるため、そりが大きい場合に特に効果的である。 As described above, according to the second embodiment, the intermediate metal layer is provided with an uneven shape. By plastically deforming this uneven shape by pressurization and heating, the contact area of the contact portion can be increased and the joint strength can be improved. Further, the convex portion having an uneven shape is plastically deformed and enters the concave portion of the waviness on the surface, and the convex portion fills the gap. As a result, the ratio of gaps is smaller than before, heat dissipation characteristics are improved, and high heat resistance is obtained. Further, in the second embodiment, since the intermediate metal layer can follow the warp of the first metal portion and the second metal portion, it is particularly effective when the warp is large.

さらに、第1金属部、第2金属部および中間金属層はギ酸環境下で加熱、加圧されている。このため、接触部は、酸化膜のない金属原子が露出しており、金属原子が直接結合しているため、接合強度が高く放熱特性も向上する。 Further, the first metal portion, the second metal portion and the intermediate metal layer are heated and pressurized in a formic acid environment. For this reason, metal atoms without an oxide film are exposed in the contact portion, and the metal atoms are directly bonded to each other, so that the bonding strength is high and the heat dissipation characteristics are also improved.

実施の形態2の半導体装置は、電極パターン23が実施の形態2にかかる金属接合体であることを除いて、他の構成要素は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。また、実施の形態2の半導体装置の製造方法も、電極パターン23の製造方法が、実施の形態2にかかる金属接合体の製造方法であることを除いて、他の製造工程は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。 The semiconductor device of the second embodiment is the same as the first embodiment except that the electrode pattern 23 is the metal joint according to the second embodiment, and thus the description thereof will be omitted. Further, in the method for manufacturing the semiconductor device of the second embodiment, the other manufacturing steps are the same as that of the first embodiment, except that the manufacturing method of the electrode pattern 23 is the manufacturing method of the metal joint according to the second embodiment. Since it is the same as the above, the description thereof will be omitted.

(実施例)
以下、実施例について説明する。実施例において、直径100μmの孔13が開口率50%で並んでいる、膜厚100μmのSUS製の多孔板4と、膜厚1mmの第2金属部2とを用意した。第2金属部2に多孔板4をプレスすることで、第2金属部2の表面に高さ15μmの凸部14と凹部15とを形成した。
(Example)
Hereinafter, examples will be described. In the example, a SUS perforated plate 4 having a film thickness of 100 μm and a second metal portion 2 having a film thickness of 1 mm, in which holes 13 having a diameter of 100 μm are lined up with an aperture ratio of 50%, were prepared. By pressing the perforated plate 4 onto the second metal portion 2, a convex portion 14 and a concave portion 15 having a height of 15 μm were formed on the surface of the second metal portion 2.

この後、実施例ではギ酸を導入して、280℃の温度で30分間処理することで、表面酸化膜を除去した。この後、280℃の温度で、15kNの圧力を加えることにより、第1金属部1と第2金属部2とを接合した。ここで、図12は、実施例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。図13は、従来例にかかる金属接合体の接合部の観察結果を模式的に示す上面図である。 After that, in the example, formic acid was introduced and treated at a temperature of 280 ° C. for 30 minutes to remove the surface oxide film. After that, the first metal portion 1 and the second metal portion 2 were joined by applying a pressure of 15 kN at a temperature of 280 ° C. Here, FIG. 12 is a top view schematically showing the observation result of the joint portion of the metal joint according to the embodiment. FIG. 13 is a top view schematically showing the observation result of the joint portion of the metal joint according to the conventional example.

図12は、第1金属部1と第2金属部2との接合部をSAT(Scanning Acoustic Tomograph:超音波探傷装置)で0.5μm以上の隙間を観察した像である。また、図13は、比較のため、従来例の第1金属部31と第2金属部32との接合部をSATで観察した像である。図12、図13において、黒い部分が第1金属部と第2金属部が接触している部分であり、白い部分が接触していない部分である。図12の実施例の場合、黒い点の凸部だけでなくその周りも接触して、接触していない白い部分が少なくなっている。これに対して、図13の従来例の場合、接触していない白い部分の面積が大きく、さらに図13では、面積の広い白い部分16が2つ存在している。このため、実施例では、第1金属部31と第2金属部32とが良好に接合し、接合強度が高く、放熱特性も良好である。これに対して、従来例では、第1金属部31と第2金属部32とが十分に接合していなく、接合強度が低く、放熱特性も悪いことがわかる。なお、隙間率(隙間の割合)は、接合部における接触していない部分(0.5μm以上の隙間)の面積の割合であり、上記SATで観察した像から求める。なお、SATの像は接合面を上部より観察したものである。また、1mm四方を10箇所観察した平均を隙間率とした。 FIG. 12 is an image of a joint portion between the first metal portion 1 and the second metal portion 2 observed with a SAT (Scanning Acoustic Tomography: ultrasonic flaw detector) having a gap of 0.5 μm or more. Further, FIG. 13 is an image of the joint portion between the first metal portion 31 and the second metal portion 32 of the conventional example observed by SAT for comparison. In FIGS. 12 and 13, the black portion is the portion where the first metal portion and the second metal portion are in contact with each other, and the white portion is a portion where they are not in contact with each other. In the case of the embodiment of FIG. 12, not only the convex portion of the black dot but also the periphery thereof is in contact, and the white portion that is not in contact is reduced. On the other hand, in the case of the conventional example of FIG. 13, the area of the white portion that is not in contact is large, and in FIG. 13, there are two white portions 16 having a large area. Therefore, in the embodiment, the first metal portion 31 and the second metal portion 32 are satisfactorily bonded, the bonding strength is high, and the heat dissipation characteristics are also good. On the other hand, in the conventional example, it can be seen that the first metal portion 31 and the second metal portion 32 are not sufficiently bonded, the bonding strength is low, and the heat dissipation characteristics are also poor. The gap ratio (ratio of gaps) is the ratio of the area of the non-contact portion (gap of 0.5 μm or more) in the joint portion, and is obtained from the image observed by the SAT. The image of SAT is an observation of the joint surface from above. Further, the average of observing 10 points of 1 mm square was taken as the gap ratio.

図14は、実施例にかかる金属接合体の接合部の円柱状の凸部の幅(直径)、高さ、間隔と接合強度および隙間率との関係を示す表である。図14において、Wは凹凸形状の円柱状の凸部の幅(直径)であり、図4の凸部14の幅w21に対応する。また、Dは凹凸形状の凸部の間隔であり、図4の凸部14の間隔w22に対応する。また、hは凹凸形状の凸部の高さであり、図4の凸部14の高さh2に対応する。それぞれの単位はμmである。粗密(W/D)は間隔Dに対する幅Wの比率であり、この値が大きいほど、単位面積あたりの凸部の数(密度)が小さくなる。 FIG. 14 is a table showing the relationship between the width (diameter), height, and spacing of the columnar convex portion of the joint portion of the metal joint according to the embodiment and the joint strength and gap ratio. In FIG. 14, W is the width (diameter) of the concave-convex columnar convex portion, and corresponds to the width w21 of the convex portion 14 in FIG. Further, D is the interval between the convex portions having a concave-convex shape, and corresponds to the interval w22 of the convex portions 14 in FIG. Further, h is the height of the convex portion having a concave-convex shape, and corresponds to the height h2 of the convex portion 14 in FIG. Each unit is μm. The density (W / D) is the ratio of the width W to the interval D, and the larger this value, the smaller the number (density) of the convex portions per unit area.

また、接合強度は、金属接合体の接合部の強度をせん断強度試験にて測定して、20MPa以上の時は、◎として、15〜20MPa時は、○とした。これは、接合強度が15MPa以上でないと、金属接合体をパワー半導体モジュールに用いる際の熱応力で、接合部にクラック等が生じる場合があるためである。また、隙間率は上述のSATの評価により求めた。 The joint strength was determined by measuring the strength of the joint portion of the metal joint by a shear strength test, and when it was 20 MPa or more, it was evaluated as ⊚, and when it was 15 to 20 MPa, it was evaluated as ◯. This is because if the joint strength is not 15 MPa or more, cracks or the like may occur at the joint due to the thermal stress when the metal joint is used for the power semiconductor module. The clearance ratio was determined by the above-mentioned SAT evaluation.

図14において、実施例1〜4は、W、Dを100μmとして、hを0.1μm、1μm、10μm、20μmとして接合強度を評価した結果である。この場合、理論上は粗密(W/D)は全て1になり、凸部の密度は一定となる。また、凸部の縦横比(アスペクト比)h/Wは、0.001、0.01、0.1、0.2となり、全体の面積に対する凸部の面積の割合は、一定となる。図14に示すように、実施例1〜4では、接合強度は全て◎となり、隙間率は50%以下で、良好な接合強度を示した。 In FIG. 14, Examples 1 to 4 are the results of evaluating the bonding strength with W and D as 100 μm and h as 0.1 μm, 1 μm, 10 μm, and 20 μm. In this case, theoretically, the density (W / D) is all 1, and the density of the convex portion is constant. The aspect ratio h / W of the convex portion is 0.001, 0.01, 0.1, 0.2, and the ratio of the convex portion area to the total area is constant. As shown in FIG. 14, in Examples 1 to 4, the joint strengths were all ⊚, the gap ratio was 50% or less, and good joint strength was shown.

また、図14において、実施例5〜7は、Dを100μm、hを10μmとして、Wを5μm、50μm、200μmとして接合強度を評価した結果である。この場合、粗密(W/D)は、0.05、0.5、2となり、凸部の縦横比(アスペクト比)h/Wは、2、0.2、0.05となり、全体の面積に対する凸部の面積の割合は、0.2%、10.1%、40.4%となる。図14に示すように、実施例5では、接合強度は○であったが、実施例6、7では、接合強度は◎になり、良好な接合強度を示した。 Further, in FIG. 14, Examples 5 to 7 are the results of evaluating the bonding strength with D as 100 μm, h as 10 μm, and W as 5 μm, 50 μm, and 200 μm. In this case, the density (W / D) is 0.05, 0.5, 2, and the aspect ratio (aspect ratio) h / W of the convex portion is 2, 0.2, 0.05, which is the total area. The ratio of the area of the convex portion to the relative is 0.2%, 10.1%, and 40.4%. As shown in FIG. 14, the bonding strength was ◯ in Example 5, but the bonding strength was ⊚ in Examples 6 and 7, indicating good bonding strength.

また、図14において、実施例8〜11は、Wを100μm、hを10μmとして、Dを5μm、25μm、50μm、200μmとして接合強度を評価した結果である。この場合、粗密(W/D)は、20、4、2、0.5となり、凸部の縦横比(アスペクト比)h/Wは、全て0.1と一定となり、全体の面積に対する凸部の面積の割合は、82.5%、58%、40.3%、10.1%となる。図14に示すように、実施例8では、接合強度は○であったが、実施例9〜11では、接合強度は◎になり、良好な接合強度を示した。なお、第1金属部または第2金属部の初期の表面のうねりは、うねり曲線要素の平均高さWzで評価し、Wzは0.1から10μmにおいて、上述の結果を得た。なお、WzはJIS−B0601−2001に記載の方法で測定し、高周波成分カットオフフィルタのカットオフ値λcを0.25mmとした。なお、良好な接合強度を得られた接合部には、第2金属部2表面の所定の凹部のピッチに対応した隙間11が形成されており、接合面において、前記所定の凹部の個数に対する規則的な隙間11の個数の割合(規則化度合)は60%以上であった。 Further, in FIG. 14, Examples 8 to 11 are the results of evaluating the bonding strength with W being 100 μm, h being 10 μm, and D being 5 μm, 25 μm, 50 μm, and 200 μm. In this case, the density (W / D) is 20, 4, 2, 0.5, and the aspect ratio h / W of the convex portion is constant at 0.1, and the convex portion with respect to the entire area. The ratio of the area of is 82.5%, 58%, 40.3%, 10.1%. As shown in FIG. 14, in Example 8, the bonding strength was ◯, but in Examples 9 to 11, the bonding strength became ⊚, indicating good bonding strength. The waviness of the initial surface of the first metal part or the second metal part was evaluated by the average height Wz of the waviness curve element, and the above result was obtained when the Wz was 0.1 to 10 μm. Wz was measured by the method described in JIS-B0601-2001, and the cutoff value λc of the high frequency component cutoff filter was set to 0.25 mm. In the joint portion where good joint strength is obtained, a gap 11 corresponding to the pitch of the predetermined recesses on the surface of the second metal portion 2 is formed, and a rule for the number of the predetermined recesses on the joint surface. The ratio of the number of target gaps 11 (degree of regularization) was 60% or more.

以上の結果から、実施例5のように、幅Wが小さいと凸部の面積の割合が小さくなり、接触面積が少なくなるため、接合強度が若干悪化することがわかる。また、実施例8のように、間隔Dが小さいと凸部の面積の割合が大きくなり、凸部間の隙間が少なくなるため、隙間率は小さいが接合強度が若干悪化すると推定される。また、上述の実施例の条件で作成した積層基板を用いた半導体装置は、ヒートサイクル試験などの信頼性試験においても良好な結果を示した。 From the above results, it can be seen that, as in Example 5, when the width W is small, the ratio of the area of the convex portion is small and the contact area is small, so that the joint strength is slightly deteriorated. Further, as in Example 8, when the interval D is small, the ratio of the area of the convex portions is large and the gap between the convex portions is small. Therefore, it is estimated that the gap ratio is small but the joint strength is slightly deteriorated. In addition, the semiconductor device using the laminated substrate prepared under the conditions of the above-mentioned Examples showed good results in a reliability test such as a heat cycle test.

以上のように、本発明にかかる金属接合体、金属接合体の製造方法、半導体装置および半導体装置の製造方法は、インバータなどの電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。 As described above, the metal joint, the method for manufacturing the metal joint, and the method for manufacturing the semiconductor device and the semiconductor device according to the present invention are the power conversion device such as an inverter, the power supply device such as various industrial machines, and the igniter of an automobile. It is useful for power semiconductor devices used in such applications.

1 第1金属部
2 第2金属部
3 中間金属層
4 多孔板
5 絶縁基板
11 隙間
12 接触部
13 孔
14 凸部
15 凹部
16 面積の広い白い部分
21 パワー半導体チップ
22 絶縁基板
23 電極パターン
24 金属基板
25 端子ケース
26 金属端子
27 金属ワイヤ
28 蓋
29 封止材
31 第1金属部
32 第2金属部
33 うねり
1 1st metal part 2 2nd metal part 3 Intermediate metal layer 4 Perforated plate 5 Insulated substrate 11 Gap 12 Contact part 13 Hole 14 Convex part 15 Recessed part 16 Large white part 21 Power semiconductor chip 22 Insulated substrate 23 Electrode pattern 24 Metal Board 25 Terminal case 26 Metal terminal 27 Metal wire 28 Lid 29 Encapsulant 31 First metal part 32 Second metal part 33 Waviness

Claims (16)

第1金属部および第2金属部を接合させた金属接合体であって、
上面視で、前記第1金属部と前記第2金属部との界面の縦方向、横方向の両方向に、規則的な隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、50%以下であることを特徴とする金属接合体。
A metal joint in which a first metal part and a second metal part are joined.
When viewed from above, regular gaps are lined up in both the vertical and horizontal directions of the interface between the first metal portion and the second metal portion, and the ratio of the gaps at the interface is 50% or less. A metal joint characterized by being.
第1金属部および第2金属部を接合させた金属接合体であって、
前記第1金属部と前記第2金属部との間に挟まれる、両側に凹凸を有する中間金属部を備え、
前記第1金属部と前記中間金属部との界面および前記第2金属部と前記中間金属部との界面に隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、50%以下であることを特徴とする金属接合体。
A metal joint in which a first metal part and a second metal part are joined.
An intermediate metal portion having irregularities on both sides, which is sandwiched between the first metal portion and the second metal portion, is provided.
Gap is lined up at the interface between the first metal part and the intermediate metal part and the interface between the second metal part and the intermediate metal part, and the ratio of the gap at the interface is 50% or less. A metal joint characterized by.
前記隙間は前記界面において、規則的に並んでいることを特徴とする請求項1または2に記載の金属接合体。 The metal joint according to claim 1 or 2, wherein the gaps are regularly arranged at the interface. 前記第1金属部および前記第2金属部は、銅、銀、金または白金を含む金属からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の金属接合体。 The metal joint according to any one of claims 1 to 3, wherein the first metal portion and the second metal portion are made of a metal containing copper, silver, gold or platinum. 半導体素子と、電極パターンが設けられ、前記半導体素子を搭載した積層基板と、前記半導体素子と前記電極パターンとを電気的に接続する配線と、前記積層基板を搭載した金属基板と、を有する半導体装置において、
前記電極パターンは、第1金属部および第2金属部を接合させた金属接合体であり、上面視で、前記第1金属部と前記第2金属部との界面の縦方向、横方向の両方向に、規則的な隙間が並んでおり、前記界面での前記隙間の割合は、50%以下であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor having a semiconductor element, an electrode pattern, a laminated substrate on which the semiconductor element is mounted, a wiring for electrically connecting the semiconductor element and the electrode pattern, and a metal substrate on which the laminated substrate is mounted. In the device
The electrode pattern is a metal joint body obtained by joining a first metal portion and a second metal portion, and is viewed from above in both the vertical direction and the horizontal direction of the interface between the first metal portion and the second metal portion. A semiconductor device characterized in that regular gaps are lined up and the ratio of the gaps at the interface is 50% or less.
第2金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第1工程と、
前記第2金属部の前記凹凸形状が形成された面と、第1金属部の、うねりが存在する一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を塑性変形させることで、前記第1金属部と前記第2金属部とを接合させる第2工程と、
を含むことを特徴とする金属接合体の製造方法。
The first step of forming an uneven shape on one surface of the second metal part, and
The surface of the second metal portion on which the concave-convex shape is formed and one surface of the first metal portion having a waviness are opposed to each other, and the convex portion of the concave-convex shape is plastically deformed by heating and pressurizing. Then, in the second step of joining the first metal part and the second metal part,
A method for producing a metal joint, which comprises.
前記第1工程より後、前記第2工程より前に、
還元ガスを用いて前記第1金属部および前記第2金属部の酸化膜を除去する工程を、
含むことを特徴とする請求項6に記載の金属接合体の製造方法。
After the first step, before the second step,
The step of removing the oxide film of the first metal part and the second metal part using a reducing gas is performed.
The method for producing a metal joint according to claim 6, further comprising.
中間金属部の両面に凹凸形状を形成する第1工程と、
第1金属部の一方の面と前記中間金属部の一方の面とを対向させ、第2金属部の一方の面と前記中間金属部の他方の面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を塑性変形させることで、前記第1金属部と前記中間金属部、および前記第2金属部と前記中間金属部とを接合させる第2工程と、
を含むことを特徴とする金属接合体の製造方法。
The first step of forming an uneven shape on both sides of the intermediate metal part,
One surface of the first metal portion and one surface of the intermediate metal portion are opposed to each other, one surface of the second metal portion and the other surface of the intermediate metal portion are opposed to each other, and the heating and pressurizing are performed. A second step of joining the first metal portion and the intermediate metal portion, and the second metal portion and the intermediate metal portion by plastically deforming the convex portion of the concave-convex shape.
A method for producing a metal joint, which comprises.
前記第1工程より後、前記第2工程より前に、
還元ガスを用いて前記第1金属部、前記第2金属部および前記中間金属部の酸化膜を除去する工程を、
含むことを特徴とする請求項8に記載の金属接合体の製造方法。
After the first step, before the second step,
The step of removing the oxide film of the first metal portion, the second metal portion, and the intermediate metal portion using a reducing gas is performed.
The method for producing a metal joint according to claim 8, further comprising.
前記還元ガスは、ギ酸または水素を含むことを特徴とする請求項7または9に記載の金属接合体の製造方法。 The method for producing a metal conjugate according to claim 7 or 9, wherein the reducing gas contains formic acid or hydrogen. 前記凹凸形状の凸部の高さが、0.1〜20μmの範囲内にあることを特徴とする請求項6〜10のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。 The method for producing a metal joint according to any one of claims 6 to 10, wherein the height of the convex portion of the concave-convex shape is within the range of 0.1 to 20 μm. 前記凹凸形状の凸部の幅が、1〜200μmの範囲内にあることを特徴とする請求項6〜11のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。 The method for producing a metal joint according to any one of claims 6 to 11, wherein the width of the convex portion of the concave-convex shape is in the range of 1 to 200 μm. 前記凹凸形状の凸部の間隔が、1〜200μmの範囲内にあることを特徴とする請求項6〜12のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。 The method for producing a metal joint according to any one of claims 6 to 12, wherein the distance between the convex portions of the concave-convex shape is in the range of 1 to 200 μm. 前記凹凸形状の凸部の間隔に対する前記凹凸形状の凸部の幅の比率は、0.5〜4の範囲内にあることを特徴とする請求項6〜13のいずれか一つに記載の金属接合体の製造方法。The metal according to any one of claims 6 to 13, wherein the ratio of the width of the convex portions of the concave-convex shape to the distance between the convex portions of the concave-convex shape is in the range of 0.5 to 4. Method of manufacturing a joint. 前記うねりの高低差は、0.5μm〜10μmの範囲内であることを特徴とする請求項6に記載の金属接合体の製造方法。The method for producing a metal joint according to claim 6, wherein the height difference of the waviness is in the range of 0.5 μm to 10 μm. 第2金属部の一方の面に凹凸形状を形成する第1工程と、The first step of forming an uneven shape on one surface of the second metal part, and
前記第2金属部の前記凹凸形状が形成された面と、積層基板上に設けられた第1金属部の、うねりが存在する一つの面とを対向させ、加熱、加圧により前記凹凸形状の凸部を塑性変形させることで、前記第1金属部と前記第2金属部とを接合させ、電極パターンを形成する第2工程と、The surface of the second metal portion on which the concave-convex shape is formed and the surface of the first metal portion provided on the laminated substrate in which waviness exists are opposed to each other, and the concave-convex shape is formed by heating and pressurizing. A second step of forming an electrode pattern by joining the first metal portion and the second metal portion by plastically deforming the convex portion.
前記積層基板に半導体素子を搭載する第3工程と、The third step of mounting the semiconductor element on the laminated substrate and
前記積層基板を積層組立体に組み立てる第4工程と、The fourth step of assembling the laminated substrate into a laminated assembly, and
前記半導体素子と前記積層基板上の電極パターンとを電気的に接続する第5工程と、A fifth step of electrically connecting the semiconductor element and the electrode pattern on the laminated substrate, and
前記積層組立体に樹脂ケースを組み合わせる第6工程と、The sixth step of combining the resin case with the laminated assembly and
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises.
JP2017094904A 2017-05-11 2017-05-11 Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices Active JP6918311B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017094904A JP6918311B2 (en) 2017-05-11 2017-05-11 Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017094904A JP6918311B2 (en) 2017-05-11 2017-05-11 Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018190936A JP2018190936A (en) 2018-11-29
JP6918311B2 true JP6918311B2 (en) 2021-08-11

Family

ID=64480017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017094904A Active JP6918311B2 (en) 2017-05-11 2017-05-11 Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6918311B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7238621B2 (en) * 2019-06-20 2023-03-14 株式会社デンソー Semiconductor device, method for manufacturing sintered sheet, method for manufacturing semiconductor device
JP2022150728A (en) * 2021-03-26 2022-10-07 三菱マテリアル株式会社 Manufacturing method of bonded body

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62282792A (en) * 1986-05-29 1987-12-08 Mitsubishi Electric Corp Solid phase joining method
DE69313972T2 (en) * 1992-10-30 1998-03-26 Corning Inc Microlaminated composites and process for their manufacture
JP3352029B2 (en) * 1997-06-13 2002-12-03 松下電工株式会社 Bonded body of metal base and ceramic base
JP2014022699A (en) * 2012-07-24 2014-02-03 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Package and method for producing the same
JP2015155108A (en) * 2014-02-21 2015-08-27 三菱電機株式会社 Metal conjugate, waveguide for antenna, and semiconductor device
JP6332108B2 (en) * 2015-03-30 2018-05-30 三菱マテリアル株式会社 Manufacturing method of power module substrate with heat sink

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018190936A (en) 2018-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6305302B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US3255511A (en) Semiconductor device assembly method
JP2013051366A (en) Power module and manufacturing method of the same
US10090223B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing same
WO2016199621A1 (en) Manufacturing method for power semiconductor device, and power semiconductor device
JP4524570B2 (en) Semiconductor device
JP6366723B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2003273289A (en) Ceramic circuit board and power module
JP6448388B2 (en) Power semiconductor device
JP2015220341A (en) Metal base substrate, power module, and manufacturing method of metal base substrate
JP6408431B2 (en) Lead frame, lead frame manufacturing method, and semiconductor device
JP2015142018A (en) power semiconductor device
JP6918311B2 (en) Metal joints, methods for manufacturing metal joints, semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices
JP2010288448A (en) Method for producing current converter arrangement comprising cooling device and current converter arrangement
JP2009026028A (en) Hybrid type ic card and method for manufacturing the same
JP2019149460A (en) Insulation circuit board and manufacturing method thereof
JP5755601B2 (en) Power module and manufacturing method thereof
JP6567957B2 (en) Power semiconductor module manufacturing method
JP4100685B2 (en) Semiconductor device
US11011440B2 (en) Semiconductor element bonding body, semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor element bonding body
TWI604543B (en) Wire bonding method
JP6348759B2 (en) Semiconductor module, joining jig, and manufacturing method of semiconductor module
JP6496100B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JPH03228339A (en) Bonding tool
JP2002324922A (en) Thermomodule

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426

Effective date: 20170531

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170531

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200302

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210302

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210427

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210615

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210712

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6918311

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250